CN212432789U - 裂纹扩展实验设备 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种裂纹扩展实验设备，属于检验检测领域。该裂纹扩展实验设备包括：施加拉伸载荷的拉伸加载装置和施加压缩载荷的压缩加载装置。拉伸加载装置具有一夹持实验样品的夹持部，夹持部可滑动地沿实验样品的长度方向布置，压缩加载装置具有一压紧实验样品的压紧部，压紧部可滑动地沿垂直于长度方向的方向布置，实验样品上具有裂纹。同时对实验样品施加拉伸载荷和压缩载荷，模拟管道在工作过程中受到的复合载荷，观察实验样品中的裂纹的扩展规律，从而确定管道中裂纹的扩展规律，提高获取到的裂纹的扩展规律的准确性。

Description

裂纹扩展实验设备

技术领域

本公开涉及检验检测领域，特别涉及一种裂纹扩展实验设备。

背景技术

油田开采出的原油以及天然气通过管道进行运输，运输管道是由多个单根的管道焊接而成。在焊接过程中，会对管道的焊接处进行加热，使管道中产生裂纹，影响焊接处的管道的性能。

管道在使用过程中会受到载荷，载荷使裂纹进行扩展，不同的载荷对裂纹扩展的影响不同，因此，在实际生产中要了解裂纹的扩展规律，根据裂纹扩展的规律判断裂纹扩展的方向和深度，再判断管道维修的位置和强度。相关技术中，使用万能实验机对实验样品进行载荷实验，模拟管道在受到不同载荷情况下，管道中裂纹的扩展规律。

但是，相关技术中的万能实验机只能模拟管道受到的单一载荷，不能模拟管道受到的复合载荷，影响实验获取的扩展规律的准确性。

实用新型内容

本公开实施例提供了一种裂纹扩展实验设备，可以模拟符复合载荷情况下的管道中裂纹的扩展规律。所述技术方案如下：

本公开提供了一种裂纹扩展实验设备，所述裂纹扩展实验设备包括施加拉伸载荷的拉伸加载装置和施加压缩载荷的压缩加载装置；

所述拉伸加载装置具有一夹持实验样品的夹持部，所述夹持部可滑动地沿所述实验样品的长度方向布置，所述压缩加载装置具有一压紧所述实验样品的压紧部，所述压紧部可滑动地沿垂直于所述长度方向的方向布置，所述实验样品上具有裂纹。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述拉伸加载装置包括固定夹头、活动夹头和拉伸动力单元，所述活动夹头为所述夹持部，所述拉伸动力单元与所述活动夹头连接；

沿所述长度方向，所述固定夹头和所述活动夹头分别夹持所述实验样品的相对两端，所述活动夹头可移动地设置在所述实验样品的长度方向上。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述拉伸加载装置还包括拉力传感器；

所述拉力传感器设置在所述活动夹头和所述实验样品之间，或者，所述拉力传感器设置在所述固定夹头和所述实验样品之间。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述拉伸加载装置还包括沿所述长度方向布置的拉伸轨道，所述活动夹头可滑动地设置在所述拉伸轨道上。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述拉伸加载装置还包括固定轨道，所述拉伸轨道的中心线和所述固定轨道的中心线共线，所述固定夹头固定设置在所述固定轨道上。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述压缩加载装置包括加载压头和压缩动力单元，所述加载压头与所述压缩动力单元连接；

所述加载压头与所述裂纹接触，所述加载压头可移动地设置在垂直于所述长度方向的方向上。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述压缩加载装置还包括压力传感器，所述压力传感器位于所述加载压头和所述实验样品之间。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述压缩加载装置还包括压缩轨道，所述压缩轨道与所述实验样品的长度方向垂直，所述加载压头可滑动地设置在所述压缩轨道上。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述裂纹扩展实验设备还包括载荷控制器，所述载荷控制器分别与所述拉伸加载装置和所述压缩加载装置电连接。

在本公开实施例的一种实现方式中，所述拉伸加载装置包括第一自锁器，所述压缩加载装置包括第二自锁器；

所述第一自锁器和所述第二自锁器均与所述载荷控制器电连接。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

在本公开实施例中，采用拉伸加载装置的夹持部夹住实验样品，并对实验样品施加平行于长度方向的拉伸载荷，模拟管道在工作过程中受到的拉力；压缩加载装置的压紧部对实验样品施加垂直于长度方向的压缩载荷，模拟管道在工作过程中受到的压力，压缩载荷垂直于实验样品的长度方向，会使实验样品弯曲。同时对实验样品施加拉伸载荷和压缩载荷，模拟管道在工作过程中受到的复合载荷，观察实验样品中的裂纹的扩展规律，从而确定管道中裂纹的扩展规律，提高获取到的裂纹的扩展规律的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种裂纹扩展实验设备的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一种裂纹扩展实验设备的框图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的一种裂纹扩展实验设备的结构示意图。参见图1，裂纹扩展实验设备包括施加拉伸载荷的拉伸加载装置10和施加压缩载荷的压缩加载装置20。拉伸加载装置10具有一夹持实验样品1的夹持部，夹持部可滑动地沿实验样品1的长度方向a布置，压缩加载装置20具有一压紧实验样品1的压紧部，压紧部可滑动地沿垂直于长度方向a的方向布置，实验样品1上具有裂纹11。

在该实现方式中，将实验样品1放置在裂纹扩展实验设备上；拉伸加载装置10的夹持部夹住实验样品1，并对实验样品1施加平行于长度方向a的拉伸载荷，模拟管道在工作过程中受到的拉力；压缩加载装置20的压紧部对实验样品1施加垂直于长度方向a的压缩载荷，模拟管道在工作过程中受到的压力，压缩载荷垂直于实验样品的长度方向，会使实验样品弯曲。同时对实验样品1施加拉伸载荷和压缩载荷，模拟管道在工作过程中受到的复合载荷，观察实验样品1中的裂纹11的扩展规律，从而确定管道中裂纹的扩展规律，提高获取到的裂纹的扩展规律的准确性。

可选地，本公开实施例提供的裂纹扩展实验设备中压缩加载装置20的数量不限于1，可以大于1。

在本公开实施例中，管道在工作过程中，管道中的介质流动，以及温度变化，会使管道受到沿着管道长度方向的拉力，同时管道中的介质会对管道壁产生压力。拉力和压力都会对管道中的裂纹的扩展产生影响，通过本公开提供的裂纹扩展实验设备，观察裂纹在受到复合载荷情况下的裂纹扩展规律，从而判断裂纹扩展的方向、深度和长度。给后续管道维修提供实验支持，避免裂纹继续扩展，影响管道输油工作的正常运行。

本公开提供的裂纹扩展实验设备不仅能够模拟管道在工作过程中受到复合载荷情况下的裂纹的扩展规律，同时能够仅采用拉伸加载装置10或压缩加载装置20作用在实验样品上，模拟管道在受到单一载荷情况下的裂纹扩展规律，从而判断单一拉力或者单一压力对管道裂纹扩展影响的大小。

在本公开实施例中，实验样品1是金属片，金属片与待测管道的材质一样，且金属片上具有裂纹11。虽然实际管道为筒状结构，但如果将实验样品1设计为筒状，不方便对筒状的实验样品进行夹持，本公开的实验样品1为金属片，方便对实验样品进行夹持。

示例性地，本公开使用的实验样品1可以是从待测管道中截取的一部分，且截取的实验样品1上需保证有裂纹11，在其他实现方式中，实验样品1也可以是通过其他实验制作而成的，保证实验样品1的材质与待测管道的材质一致即可。

示例性地，实验样品1可以为长条形，实验样品1长度的范围可以在250毫米(mm)至350毫米之间，实验样品1宽度的范围可以在40毫米至60毫米之间，实验样品1的厚度可以根据实际管道的厚度确定。

例如，实验样品1长度可以为300毫米(mm)，宽可以为50毫米。

示例性地，在制作实验样品1时，可以通过电焊的方法在实验样品1上制作裂纹。

在本公开实施例中，实验样品1中的裂纹11的长度、方向和深度可以根据实际需求设置，以观察不同裂纹在受到载荷情况下的裂纹扩展方式。

示例性地，在制作裂纹11时，可以参照待测管道的实际的裂纹的长度、方向和深度。也可以制作不同的裂纹，以观察不同裂纹的扩展规律。

例如，裂纹11的长度可以为30毫米，深度可以为3毫米，裂纹11的方向可以与实验样品1的长度方向a垂直。

在本公开实施例中，实验样品1受到的拉力和压力也可以根据实际需求设置，用以模拟实际工作中管道受到的复合载荷。

示例性地，实验人员可以任意调整实验样品1的材质、实验样品1的受到的复合载荷大小、裂纹的长度、裂纹的方向和裂纹的深度，综合考虑管道材质、载荷大小、裂纹等各个因素对裂纹扩展的影响。

如图1所示，裂纹扩展实验设备还包括承载平台50，拉伸加载装置10和压缩加载装置20布置在承载平台50上，保证拉伸加载装置10和压缩加载装置20的稳定性。

再次参见图1，拉伸加载装置10包括固定夹头101、活动夹头102和拉伸动力单元103，活动夹头102为夹持部，拉伸动力单元103与活动夹头102连接。沿长度方向a，固定夹头101和活动夹头102分别夹持实验样品1的相对两端，活动夹头102可移动地设置在实验样品1的长度方向a上。

在该实现方式中，固定夹头101和活动夹头102分别夹持实验样品1的相对两端。其中，活动夹头102与拉伸动力单元103连接，拉伸动力单元103带动活动夹头102沿着长度方向a移动，使活动夹头102朝远离固定夹头101的方向移动，从而对实验样品1产生拉力。

在该实现方式中，拉伸动力单元103包括第一电机131和第一传动组件132，第一电机131和第一传动组件132连接，第一传动组件132将第一电机131的转动转化为直线运动，使活动夹头102沿长度方向a移动。

在本公开实施例中，固定夹头101具有相互贴合的第一块状部分和第二块状部分，第一块状部分和第二块状部分具有相互贴合的面，第一块状部分和第二块状部分贴合的面上均具有相互配合的凹槽，两个凹槽配合形成容纳样品的容纳槽。第一块状部分和第二块状部分均具有相互连通的两个固定通孔，且两个固定通孔分别位于凹槽相对的两侧，凹槽沿长度方向a布置，固定通孔沿垂直于长度方向a布置，且同一个块状部分上的两个固定通孔的连线垂直于长度方向a。安装实验样品1时，先将实验样品1的一端放入其中一个凹槽内，然后将第一块状部分和第二块状部分贴合，再将螺栓2依次穿过第一块状部分和第二块状部分的固定通孔，然后在螺栓2上旋入螺母，使固定夹头101夹住实验样品1的一端。

示例性地，活动夹头102也可以采用与固定夹头101一样的方式将实验样品1夹住。

如图1所示，实验样品1可以是哑铃形状，这样实验样品1的上下两端的宽度大于实验样品1中间段的宽度，可以将固定夹头101和活动夹头102内的凹槽的形状布置成与实验样品1上下端的形状一样，即凹槽的宽度不同，朝远离实验样品1的方向，凹槽形状逐渐增大。这样通过固定夹头101和活动夹头102将实验样品1的上下两端夹住时，实验样品1不易从固定夹头101和活动夹头102中脱落。

再次参见图1，拉伸加载装置10还包括拉力传感器104。拉力传感器104设置在活动夹头102和实验样品1之间。

在该实现方式中，在拉伸加载装置10中布置拉力传感器104，通过拉力传感器104可以检测实验样品1受到的拉力大小，从而保证实验样品1受到的拉力能够与设定值一致。

在本公开实施例中，实验样品1在各处受到的拉力的大小均是一致的，在其他实现方式中，拉力传感器104也可以设置在固定夹头101和实验样品1之间。

再次参见图1，拉伸加载装置10还包括沿实验样品1的长度方向a布置的拉伸轨道105，活动夹头102可滑动地设置在拉伸轨道105上。

在该实现方式中，在裂纹扩展实验设备上布置拉伸轨道105，方便活动夹头102的移动，且拉伸轨道105沿实验样品1的长度方向a布置，保证实验样品1受到的拉力的方向与长度方向a一致。

再次参见图1，拉伸加载装置10还包括固定轨道106，拉伸轨道105的中心线和固定轨道106的中心线共线，固定夹头101固定设置在固定轨道106上。

在该实现方式中，布置固定轨道106，且拉伸轨道105的中心线和固定轨道106的中心线共线，当活动夹头102在拉伸轨道105上移动时，使实验样品1受到的拉力的方向与长度方向a一致，保证拉力方向的准确性。

在本公开实施例中，固定夹头101固定设置在固定轨道106上，表示在安装实验样品1时，可以根据实验样品1尺寸调整固定夹头在固定轨道106上的位置，便于安装。在进行载荷试验时，固定夹头101是固定的，保证实验能够顺利进行。

再次参见图1，压缩加载装置20包括加载压头201和压缩动力单元202，加载压头201与压缩动力单元202连接。加载压头201与裂纹11接触，加载压头201可移动地设置在垂直于长度方向a的方向上。

在该实现方式中，压缩动力单元202带动加载压头201移动，使加载压头201对实验样品1施加压力，模拟管道在工作过程中受到的压力。加载压头201对裂纹11处的管道施加压力，使压力能够作用在裂纹11周边的实验样品1上，从而保证实验的准确性。

如图1所示，加载压头201位于实验样品1的上方，实验样品1的裂纹11针对加载压头201，加载压头201对实验样品1产生压力垂直于承载平台50的表面的压力。

再次参见图1，压缩加载装置20还包括压缩轨道204，压缩轨道204与实验样品1的长度方向a垂直，加载压头201可滑动地设置在压缩轨道204上。

在该实现方式中，在裂纹扩展实验设备上布置压缩轨道204，方便电加载压头201的移动，且压缩轨道204与实验样品1的长度方向a垂直，保证实验样品1受到的拉力的方向与长度方向a垂直，确保压缩加载装置20对实验样品1施加压力的准确性。

如图1所示，压缩轨道204垂直于承载平台50的表面。即图1上显示的是压缩轨道204的截面图，所以，从图1上看压缩轨道204显示为一个方块。

如图1所示，压缩加载装置20还包括滑块206和连接杆207，滑块206套设在压缩轨道204上，滑块206与连接杆207连接，连接杆207与加载压头201连通，滑块206在压缩轨道204上移动，从而带动连接杆207和加载压头201移动，使加载压头201对实验样品1施加压力。

如图1所示，压缩动力单元202包括第二电机221和第二传动组件222，第二电机221和第二传动组件222连接，第二传动组件222与滑块206连接，第二传动组件222将第二电机221的转动转化为直线运动，从而带动滑块206移动。

图2是本公开实施例提供的一种裂纹扩展实验设备的框图。参见图2，压缩加载装置20还包括压力传感器203(图1未示出)。压力传感器203位于加载压头201和实验样品1之间。

在该实现方式中，在压缩加载装置20中布置压力传感器203，通过压力传感器203可以检测实验样品1受到的压力大小，从而保证实验样品1受到的压力能够与设定值一致。

再次参见图2，裂纹扩展实验设备还包括载荷控制器30，载荷控制器30分别与拉伸加载装置10和压缩加载装置20连接。

在该实现方式中，布置载荷控制器30，通过载荷控制器30控制拉伸加载装置10给实验样品1施加的拉力，以及压缩加载装置20给实验样品1施加的压力，保证加载精度，确保实验的准确性。

再次参见图2，拉伸加载装置10包括第一自锁器107，压缩加载装置20包括第二自锁器205。第一自锁器107和第二自锁器205均与载荷控制器30电连接。

在该实现方式中，在拉伸加载装置10给实验样品1施加的拉力达到预定值时，第一自锁器107可以锁定活动夹头102，避免活动夹头102继续移动，影响实验的精度。在压缩加载装置20给实验样品1施加的压力达到预定值时，第二自锁器205可以锁定加载压头201，避免加载压头201继续移动，影响实验的精度。

示例性地，第一自锁器107可以为布置在活动夹头102上的可伸缩的凸起，在正常拉伸情况下，凸起位于活动夹头102内，拉伸轨道105上有连续间隔分布的凹槽，当拉伸加载装置10给实验样品1施加的拉力达到预定值时，凸起从活动夹头102的底面伸出，并卡设在凹槽内，锁定活动夹头102，避免活动夹头102继续移动。

例如，凸起具有磁性，凸起与弹簧连接，活动夹头102内有与凸起对应设置的电磁线圈，该电磁线圈位于活动夹头102的电路中，且活动夹头102的电路布置有电动开关，电动开关与载荷控制器30电连接。拉力传感器104与载荷控制器30电连接，并将拉力值传输给载荷控制器30。在正常情况下电动开关处于闭合状态，当活动夹头102的电路通电时，活动夹头102运动，电磁线圈通电，对凸起产生吸力，使凸起位于活动夹头102内。当拉伸加载装置10给实验样品1施加的拉力达到预定值时，载荷控制器30给电动开关传输电信号，电动开关接收电信号后断开，活动夹头102的电路断电，电磁线圈没有磁力，弹簧将凸起弹出，使凸起从活动夹头102的底面伸出，卡设在凹槽内，锁定活动夹头102。

示例性地，第二自锁器205也可以采用与第一自锁器107相同的方式实现对加载压头201的锁定。

如图2所示，裂纹扩展实验设备还可以包括显示装置60，显示装置60与载荷控制器30电连接。显示装置60用于显示拉伸加载装置10和压缩加载装置20的加载载荷。通过显示装置60可以更加直观地了解实验样品1受到的拉力和压力。

在使用本公开的裂纹扩展实验设备时，先将带有裂纹11的实验样品1安装在拉伸加载装置10的活动夹头102和固定夹头101上；然后通过拉伸动力单元103带动活动夹头102移动，在实验样品1上加载0.8倍管材屈服强度大小的载荷，加载到设定载荷后，第一自锁器107将活动夹头102锁定，保持拉伸载荷恒定不变；再控制压缩加载装置20，使加载压头201中心线与裂纹11的中心对齐；然后压缩动力单元202带动加载压头201在实验样品1上加载压缩载荷，压缩载荷大小为0.2倍的管材屈服强度；加载完成后，泄去弯曲载荷和拉伸载荷，将实验样品1取下；取下实验样品1后，通过显微镜(普通显微镜或者金相显微镜)观察实验样品1，测量裂纹扩展长度和裂纹生长模式。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述裂纹扩展实验设备包括施加拉伸载荷的拉伸加载装置(10)和施加压缩载荷的压缩加载装置(20)；

所述拉伸加载装置(10)具有一夹持实验样品(1)的夹持部，所述夹持部可滑动地沿所述实验样品(1)的长度方向(a)布置，所述压缩加载装置(20)具有一压紧所述实验样品(1)的压紧部，所述压紧部可滑动地沿垂直于所述长度方向(a)的方向布置，所述实验样品(1)上具有裂纹(11)。

2.根据权利要求1所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述拉伸加载装置(10)包括固定夹头(101)、活动夹头(102)和拉伸动力单元(103)，所述活动夹头(102)为所述夹持部，所述拉伸动力单元(103)与所述活动夹头(102)连接；

沿所述长度方向(a)，所述固定夹头(101)和所述活动夹头(102)分别夹持所述实验样品(1)的相对两端，所述活动夹头(102)可移动地设置在所述实验样品(1)的长度方向(a)上。

3.根据权利要求2所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述拉伸加载装置(10)还包括拉力传感器(104)；

所述拉力传感器(104)设置在所述活动夹头(102)和所述实验样品(1)之间，或者，所述拉力传感器(104)设置在所述固定夹头(101)和所述实验样品(1)之间。

4.根据权利要求2所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述拉伸加载装置(10)还包括沿所述长度方向(a)布置的拉伸轨道(105)，所述活动夹头(102)可滑动地设置在所述拉伸轨道(105)上。

5.根据权利要求4所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述拉伸加载装置(10)还包括固定轨道(106)，所述拉伸轨道(105)的中心线和所述固定轨道(106)的中心线共线，所述固定夹头(101)固定设置在所述固定轨道(106)上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述压缩加载装置(20)包括加载压头(201)和压缩动力单元(202)，所述加载压头(201)与所述压缩动力单元(202)连接；

所述加载压头(201)与所述裂纹(11)接触，所述加载压头(201)可移动地设置在垂直于所述长度方向(a)的方向上。

7.根据权利要求6所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述压缩加载装置(20)还包括压力传感器(203)，所述压力传感器(203)位于所述加载压头(201)和所述实验样品(1)之间。

8.根据权利要求6所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述压缩加载装置(20)还包括压缩轨道(204)，所述压缩轨道(204)与所述实验样品(1)的长度方向(a)垂直，所述加载压头(201)可滑动地设置在所述压缩轨道(204)上。

9.根据权利要求1至5任一项所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述裂纹扩展实验设备还包括载荷控制器(30)，所述载荷控制器(30)分别与所述拉伸加载装置(10)和所述压缩加载装置(20)电连接。

10.根据权利要求9所述的裂纹扩展实验设备，其特征在于，所述拉伸加载装置(10)包括第一自锁器(107)，所述压缩加载装置(20)包括第二自锁器(205)；

所述第一自锁器(107)和所述第二自锁器(205)均与所述载荷控制器(30)电连接。

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